Учебное пособие 800429

Массовая скорость воды в экономайзере при восходящем его потоке должна быть выбрана с учетом характеристики рабочей среды и условий теплообмена. Например, для конвективных некипящих элементов массовая скорость воды должна составлять 500…600 кг/(м2·с). При указанных массовых скоростях коэффициент теплоотдачи к воде 2 = 3000/4000 Вт/(м2·К), что

обеспечивает надежное охлаждение трубок. Отдельные ступени экономайзера выполняют как самостоятельные элементы, и для уменьшения тепловой и гидравлической разверки между трубками ступеней целесообразно их секционировать. Соединительные трубки между ступенями экономайзера используют для перемешивания и переброса воды перед поступлением её в кипящую ступень. Паросодержание на выходе воды из кипящей ступени экономайзера не должно быть более 15…20%. Скорость газов принимают до 12 м/с при работе котла на твердом топливе и до 16…20 м/с — на газе и мазуте [4].

В экономайзерах некипящего типа вода подогревается до кипения, если же наряду с подогревом воды образуется пар, экономайзер называется кипящим. В экономайзерах некипящего типа закипание воды недопустимо и может привести к образованию паровых пробок. В экономайзере кипящего типа не должно быть участков с движением воды вниз во избежание образования в этих участках паровых пробок.

Литература

1Бузников Е.Ф. Производственные и отопительные котельные / E.Ф. Бузников, К.Ф. Роддатис – М.: Энергия, 1974. - 280с.

2Эстеркин Р.И. Промышленные парогенерирующие установки / Р.И. Эстеткин – Л.: Энергия, 1980. - 400с.

3Эстеркин Р.И. Перевод промышленных котлов на газообразное топливо / Р.И. Эстеткин – Л.: Энергия, 1967. - 202с.

4Александров В.Г. Паровые котлы средней и малой мощности / В.Г. Александров – М.: Энергия, 1966. - 244с.

Воронежский государственный технический университет

51

УДК 658.261

О.А. Алехина, Е.В. Усова, А.В. Трофимов – студенты, В.Ю. Дубанин, канд. техн. наук, доц. – научный руководитель

ЗАСЛОНКИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

В данной статье рассмотрены способы повышения эффективности использования теплоты от сгорания топлива в нагревательных печах путем замены заслонки

Ключевые слова: нагревательная печь, заслонка, эффективность, теплота сгорания

В современных условиях особое значение имеет экономия и рациональное использование топливно-энергетических и материальных ресурсов. Основными статьями экономии являются: снижение капитальных затрат и уменьшение расходов на эксплуатацию. Даже изменение одного из факторов может принести огромную выгоду для промышленного хозяйства.

Для загрузки и выгрузки нагреваемых изделий в передней стенке промышленных печей предусматривают рабочие окна, закрываемые заслонками. Они выполняются трёх типов: сварные, литые чугунные и сварные с водяным охлаждением. Сварные заслонки наиболее просты в изготовлении, но наименее прочны. Футеровка сварных неохлаждаемых заслонок разрушается через 20…30 дней работы. Футеровка из огнеупорного бетона более стойка к сотрясению и ударам и увеличивает срок службы заслонок до двух месяцев. Срок службы литых чугунных заслонок длиннее, чем сварных. Но и литые чугунные заслонки на кузнечных печах выходят из строя через три месяца из-за отгорания их нижней части.

На нагревательных печах кузнечно-прессового цеха производственного объединения ОАО «Тяжмехпресс» устанавливались сварные заслонки с водяным охлаждением. Они имели футеровку из огнеупорного кирпича в виде плоской стенки, обшитой металлическим листом толщиной 5-6 мм. По периметру заслонки, вокруг футеровки располагался канал коробчатого сечения, охлаждаемый водой. Срок службы таких заслонок более длителен, чем неохлаждаемых, однако он не превышает 6-7 месяцев. Кроме того, велики потери тепла в окружающую среду, что уменьшает эффективность работы нагревательной печи. Повышенный расход охлаждающей воды, недостаточная

52

надёжность и сложность системы водяного охлаждения намного снижают экономичность работы нагревательных печей.

В разработке заслонок нагревательных печей можно выделить следующие направления: охлаждаемая заслонка с заменой водяного охлаждения на более эффективный способ, требующий минимального расхода охлаждающего агента, и неохлаждаемая заслонка на основе новых огнеупорных теплоизоляционных материалов. Обоим направлениям свойственны как недостатки, так и преимущества.

Охлаждаемая заслонка имеет небольшую массу и малый расход огнеупорно-изоляционного материала, меньшие затраты при изготовлении. Но она более сложна в эксплуатации, требует дорогой и сложной системы охлаждения и дополнительных затрат электроэнергии. Неохлаждаемая заслонка имеет большую массу, но проще, удобнее и дешевле в эксплуатации. Рентабельность использования той или иной заслонки определяется многими факторами, в том числе мощностью печи и размерами заслонки.

Коэффициент полезного действия печей невелик и не превышает 10-15%. Основная доля потерь тепла около 60-70% приходится на потери уходящими в дымовую трубу продуктами сгорания и потери в окружающую среду. Последние составляют значительную величину при наличии водоохлаждаемой заслонки, так как с охлаждающей водой из рабочей камеры печи удаляется большое количество тепла. Стоимость охлаждающей воды и затраты энергии на её перекачку вместе с затратами на ремонт, обслуживание и амортизацию всего комплекса оборудование: системы оборотного водоснабжения входят в затраты по эксплуатации нагревательных печей. Кроме того, использование воды из заводских водопроводных сетей приводит к интенсивному образованию отложений в охлаждающем канале заслонки и отводящих трубах.

Повышение экономичности и надёжности работы нагревательных печей требует исключения тепловых потерь с охлаждающей водой и отказа от сложной и дорогой системы оборотного водоснабжения заслонок.

Для повышения тепловой и энергетической экономичности нагревательных печей необходимо уменьшить потери тепла через заслонки рабочих окон. С этой целью разработано несколько типов заслонок: неохлаждаемые, с воздушным охлаждением и с испарительным охлаждением. Для камерных нагревательных печей,

53

ввиду их малых размеров, наиболее приемлемой является неохлаждаемая заслонка. Рассматриваемая неохлаждаемая заслонка содержит несущий кожух, огнеупорно-теплоизоляционный блок, съёмную раму-кассету и фиксаторы, используемые при соединении рамы-кассеты с кожухом. Огнеупорно-теплоизоляционный блок представляет собой двухслойную футеровку рамы кассеты: огнеупорный слой выполнен из блоков корундового легковеса КЛ- 1,3, а теплоизоляционныйиз плит МКРВ-340, выдерживающих высокую температуру долговременной эксплуатации.

Неохлаждаемая заслонка нагревательной печи

Корундовый легковес, обладая высокими огнеупорными качествами, имеет также хорошие теплоизоляционные свойства, малую объёмную массу и невысокую теплоёмкость. Неохлаждаемая заслонка нагревательной печи состоит из стального коробчатого кожуха 9, используемого в качестве несущего элемента и крепящейся к нему съёмной рамы-кассеты 4, в которой размещается огнём упорно-теплоизоляционный блок. Рама-кассета представляет собой металлический короб, дно которого образовано стальными прутьями диаметром 8-10 мм, расположенными на расстоянии 125 мм друг от друга, и двух пластин жёсткости 7, приваренных вдоль боковых стенок. Один конец каждого из прутков приварен к пластине жёсткости, другой свободно входит в пазы противоположной стороны рамы. Этим обеспечивается компенсации температурных деформаций прутьев. Для этих же целей и уменьшения массы рамы в её стенках сделаны прямоугольные

54

вырезы 3. Уменьшение тепловых потерь за счёт излучения достигается экранированием наружной поверхности 12 кожуха стальным листом 11 толщиной 2 мм. Экран крепится к четырём вертикальным двутавровым балкам 13, являющимися одновременно и рёбрами жёсткости.

Сборка неохлаждаемой заслонки осуществляется в следующей последовательности: на прутья рамы-кассеты укладывается слой теплоизоляционных плит 2, а затем на специальном растворе укладываются огнеупорные блоки 1. Несколько рядов блоков монтируются на металлических стержнях, закрепляемых в стенах рамы. Раствор-связка компонентов: 4-5% окиси магния; 70% электрокорунда тонкого помола; 25-26% глинозёма. Данный состав разводится до сметанообразного состояния ортофосфорной кислотой плотностью 1,45 кг/м3.

После монтажа блоков их поверхность покрывается слоем раствора-связки толщиной 3-5 мм и вся кассета выдерживается в камере термообработки 5-6 часов при температуре 300-350 ˚С. Пройдя термообработку, футерованная рама-кассета вставляется в кожух. Выступы 8 рамы входят в щелеобразные вырезы 10 в передней стенке кожуха, после чего осуществляется закрепление рамы с кожухом U-образными фиксаторами. Перед сборкой в затвор между рамой-кассетой и кожухом прокладывается слой минеральной теплоизоляции, что улучшает тепловую защиту передней стенки кожуха и исключает его деформацию. Такая конструкция заслонки позволяет использовать кожух в течение 2-3 лет, меняя при необходимости только футерованную раму-кассету. В собранной заслонке блоки корундового легковеса на 20 мм выступают над боковыми стенками кожуха что предохраняет их от действия высоких температур. Для устранения явления истирания футеровки о металлическое обрамление на боковых стенках кожуха ниже вырезов 10 укрепляются четыре консоли, которые скользят , при подъёме-опускании заслонки по направляющим, приваренным к металлическому обрамлению рабочего окна печи. Направляющие выполнены из углового профиля № 16 и имеют переменную высоту полки чтобы обеспечить плотное закрытие заслонки в нижнем её положении и свободное движение при подъёме-опускании.

Толщины огнеупорного и теплоизоляционного слоёв заслонки определили на основании теплового расчёта: огнеупорный слой230 мм; теплоизоляционный100 мм; воздушный промежуток

55

защитного экрана50мм. Был отрегулирован механизм подъёма, проведена требуемая профилировка направляющих уголков.

Рост температуры в печи обеспечивался со скоростью 100150°С в час; при достижении температуры 600°С следовала 8- часовая выдержка, после чего начиналась её эксплуатация. В течение первой недели были проведены тепловые испытания заслонки. Для этого ещё в процессе сборки в футеровку заслонки были вмонтированы пять термопар ТХА. При тепловых испытаниях термопары подключали к потенциометру ПП-63 и с учетом полученных ЭДС определили температуры по сечениям заслонки. Их значения: 1225, 600, 300, 325 °С. Температура на поверхности экрана была равна 40°С. Оценка стойкости конструкции заслонки после месячной эксплуатации показала удовлетворительное состояние всех её элементов. Корпус не получил видимых деформаций, огнеупорный слой, покрытый раствором-связкой, хорошо противостоял высокотемпературным и истирающим воздействиям. Рама-кассета не получила деформаций и повреждений.

Внедрение неохлаждаемых заслонок увеличивает надёжность работы нагревательных печей и даёт значительный экономический эффект. Кроме того, их внедрение позволяет освободить производственные площади цехов и уменьшить число обслуживающего персонала. Использование одной неохлаждаемой заслонки позволит сэкономить более 120 000 м3 природного газа, 3300 кВт·ч электроэнергии и 1500 м3 воды (по сравнению с водоохлаждаемой заслонкой). Срок окупаемости такой заслонки составляет около трёх месяцев.

Литература

1.Мордасов А.Г. Оптимальное использование и экономия энергоресурсов на промышленных предприятиях. Учебное пособие для ВУЗов / А.Г. Мордасов, В.Е. Добромиров, В.Г. Стогней. – Воронеж: ВГУ,

1997. - 240 с.

2.Щукин А.А. Промышленные печи и газовое хозяйство заводов / А.А. Щукин. - М.: «Энергия», 1973. - 224 с.

3.Бараков А.В. Процессы и установки высокотемпературной теплотехнологии: учебное пособие / А. В. Бараков, В. Ю. Дубанин, Д. А. Прутских. - Воронеж: Воронежский гос. технический ун-т, 2010. - 120 с.

Воронежский государственный технический университет

56

УДК 620.9

М.В. Малеваный – магистрант, В.Г. Стогней, канд. техн. наук, проф. – научный руководитель

АНАЛИЗ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СО СТРУКТУРОЙ ИДЕАЛЬНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

И ИДЕАЛЬНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ С РАЗЛИЧНЫМИ СХЕМАМИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ

Рассмотрена теплоэнергетическая система, состоящая из зон идеального перемешивания и идеального вытеснения, присоединённых последовательно и параллельно. Математическая модель синтезирована в виде системы дифференциальных уравнений 1-го порядка. Получено аналитическое решение, вычислительный эксперимент позволил оценить влияние различных параметрических характеристик объекта на структуру изменения температуры теплоносителя на выходе из системы

Ключевые слова: теплоэнергетическая системы, математическая модель, вычислительный эксперимент

На рис. 1 схематически изображена система, состоящая из двух параллельно соединенных зон идеального вытеснения и идеального перемешивания и одной последовательно соединённой зоны идеального перемешивания.

Рис. 1. Схематическое изображение объекта

Составим математическую модель системы:

57

Введем для системы безразмерные переменные. Безразмерное время:

t .

2

Температура:

вх ( )=Tвх (t) T0 , 1 ( )=T1 (t) T0 ,2 ( )=T2 (t) T0 , 3 ( )=TA (t) T0 ,

А ( )= 1 (1, )+(1 ) 2 ( ).

Длина:

С учетом введенных безразмерных переменных система (1) примет вид:

58

Запишем передаточную функцию для каждого из аппаратов:

Общая передаточная функция для всех аппаратов данной схемы с учетом присоединения принимает вид:

Уравнение температуры на выходе из системы:

вых ( ) L 1[W (р) вхL ( )].

59

Подставим функцию температуры на входе в выражение функции температуры на выходе:

Воспользовавшись математическим пакетом Maррle, получаем график зависимости температуры среды на выходе из системы от времени, изображенный на рис. 2.

Рис. 2. График зависимости температуры на выходе от времени

Математическое моделирование подобных объектов позволяет разработать методы и алгоритмы для оптимизации различных теплоэнергетических систем, оценить влияние параметрических характеристик объекта на структуру изменения параметров на выходе из системы.

Литература

1.Берд Р. Явления переноса / Р. Берд, В. Стьюарт, Е. Лайтфут. – М.:

Химия, 1974. – 687с.

2.Цветков Ф.Ф. Тепломассообмен / Ф. Ф. Цветков, Б.Л. Григорьев. –

М.: Изд. МЭИ, 2011. – 562 с.

Воронежский государственный технический университет

60